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［關(guān)鍵詞］：豎爐焙燒；磁選管回收率(MTRR)；Rockwell自動(dòng)化；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；智能優(yōu)化 基于Rockwell自動(dòng)化技術(shù)的豎爐焙燒過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 嚴(yán)愛(ài)軍 東北大學(xué)自動(dòng)化研究中心 ,機(jī)器視覺(jué) ,煙草機(jī)械
1 引 言
選礦生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)，雖然我國(guó)的鐵礦資源豐富，但大多為品位較低的赤鐵礦等難選礦石，其品位一般為33％左右，利用常規(guī)的磁選方法難以從這些原料中提取出高品位的鐵質(zhì)成分。為了改善對(duì)弱磁性赤鐵礦礦石的分選效果，采用豎爐預(yù)先對(duì)礦石進(jìn)行高溫還原磁化焙燒，使弱磁性礦物變成強(qiáng)磁性礦物，然后再用磁選方法既可以得到鐵精礦。于是，豎爐磁化焙燒過(guò)程直接關(guān)系到選礦的金屬回收率與精礦品味等生產(chǎn)指標(biāo)�？刂坪秘Q爐磁化焙燒過(guò)程是提高選礦過(guò)程金屬回收率與精礦品味的關(guān)鍵。
豎爐是將弱磁性鐵礦石（主要成分Fe2O¬3）在加熱帶進(jìn)行加熱，然后落入還原帶，在一定濃度還原劑、一定溫度下，使Fe2O¬3還原成強(qiáng)磁性的磁鐵礦Fe3O¬4的熱工設(shè)備，工藝過(guò)程俗稱磁化焙燒。豎爐于1926年世界始建。我國(guó)首次于1966年由鞍山黑色冶金礦山設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)豎爐[1]。
豎爐焙燒是我國(guó)目前處理弱磁性礦物的有效途徑之一。其生產(chǎn)現(xiàn)狀是自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)成本高，資源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重。豎爐焙燒過(guò)程具有機(jī)理復(fù)雜，多變量強(qiáng)耦合，過(guò)程中不確定因素多，磁選管回收率等關(guān)鍵工藝參數(shù)難以在線連續(xù)測(cè)量。因此采用傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)難以對(duì)其進(jìn)行有效的控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南指出：“對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗只能通過(guò)全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]”。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)豎爐焙燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)成功控制的關(guān)鍵，采用新的合適的控制結(jié)構(gòu)的過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。文[3]提出了采用過(guò)程控制、過(guò)程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)濟(jì)決策五層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。文[4]提出了由過(guò)程穩(wěn)定化、過(guò)程優(yōu)化、過(guò)程管理三層結(jié)構(gòu)組成的選礦生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)。文[5]提出了基于企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）三層結(jié)構(gòu)的金礦企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于中國(guó)排山樓金礦，取得了顯著成效。
本文結(jié)合某選礦廠的實(shí)際，針對(duì)豎爐焙燒過(guò)程的特點(diǎn)，采用智能優(yōu)化、過(guò)程控制和過(guò)程管理三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)，提出了基于Rockwell自動(dòng)化技術(shù)和智能控制方法的豎爐焙燒過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于該選礦廠豎爐焙燒過(guò)程，取得了顯著的成效，為選礦廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[6]的成功實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
2 工藝描述
豎爐的焙燒過(guò)程是將礦石在加熱帶加熱到700-800℃，然后通過(guò)自重落入還原帶，在一定濃度還原劑存在下，保持一定溫度（550-600℃），使鐵礦石的主要成分Fe2O¬3還原成強(qiáng)磁性的磁鐵礦Fe3O4。
焙燒過(guò)程包括預(yù)熱，加熱，還原，冷卻等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中加熱、還原是主要的工藝過(guò)程。和豎爐有關(guān)的機(jī)電設(shè)備包括抽煙機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、搬出機(jī)和排礦機(jī)等。爐膛上部是預(yù)熱帶，中部為加熱帶，下部為還原帶，爐膛中部有一狹窄的爐腰（寬1米），爐腰下部有導(dǎo)火孔，與爐兩側(cè)的燃燒室相通，燃燒室有煤氣燒嘴與加熱煤氣相連，并配一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，一臺(tái)抽煙機(jī)，爐底有兩個(gè)承重梁（即水箱梁）來(lái)支托整個(gè)爐壁的重量。在還原帶下部的爐底上有煤氣噴出塔，每個(gè)塔有獨(dú)立的管道與爐外還原煤氣主管相接。爐子下部?jī)蓚?cè)各有用來(lái)排出礦渣用的排渣漏斗。爐子兩側(cè)設(shè)有排出焙燒產(chǎn)品用的兩臺(tái)輥式排礦機(jī)。每臺(tái)排礦機(jī)有兩節(jié)排礦輥組成。輥式排礦機(jī)軸中心線以下全部淹沒(méi)在水封池水中，水封池中設(shè)有兩臺(tái)斗式搬出機(jī)，用來(lái)搬出爐中的焙燒礦。為了延長(zhǎng)抽煙機(jī)葉輪的使用壽命，設(shè)有兩臺(tái)旋風(fēng)除塵器，用來(lái)減少?gòu)U氣中的粉塵，整個(gè)爐子是在負(fù)壓下工作的。如圖1所示，主要過(guò)程描述如下：
給礦：原礦通過(guò)爐頂貯礦槽，經(jīng)由下料口落入爐膛內(nèi)。
預(yù)熱：當(dāng)?shù)V石進(jìn)入預(yù)熱帶，在廢氣的預(yù)熱下，礦石的平均溫度一般為150-200℃。
加熱：礦石通過(guò)自重下落進(jìn)入加熱帶，加熱煤氣與加熱空氣在燃燒室混合燃燒時(shí)放出的熱量通過(guò)對(duì)流、輻射以及傳導(dǎo)的方式使礦石溫度達(dá)到700-850℃。礦石溫度高低不僅取決于搬出的快慢，還取決于燃燒室內(nèi)煤氣和空氣的配比，配比適當(dāng)，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控制在1050-1150℃，其熱量由導(dǎo)火孔傳導(dǎo)給礦石。
還原：加熱礦石進(jìn)入還原帶，在570℃左右時(shí)與供給的還原煤氣發(fā)生還原反應(yīng)。
冷卻：焙燒礦進(jìn)入水封池冷卻到400℃以下，必須保持水溫在40-45℃，否則，焙燒礦不能有效冷卻，礦石反而被氧化，達(dá)不到還原的目的。
搬出：搬出制度決定礦石在豎爐內(nèi)焙燒的時(shí)間，為了保證焙燒質(zhì)量，必須有一個(gè)合理的搬出制度，一般以一個(gè)周期的時(shí)間來(lái)表示。
豎爐操作者主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行判斷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種手工操作，自動(dòng)化程度非常低。加上豎爐焙燒過(guò)程中包括多種內(nèi)外因素的交叉變化，不確定性普遍，設(shè)備眾多，使得焙燒過(guò)程控制變得復(fù)雜起來(lái)，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
1) 過(guò)程本身具有多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，輸入輸出眾多。輸入有空氣量，加熱煤氣量，還原煤氣量等，輸出量有燃燒室溫度，加熱帶溫度，還原帶溫度等，任何一個(gè)輸入的變化都可能引起所有的輸出發(fā)生波動(dòng)；2）機(jī)理復(fù)雜，有物料的進(jìn)出、熱量的傳遞，還有化學(xué)反應(yīng)，難以對(duì)燃燒室的溫度對(duì)象建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，使得基于模型的精確控制理論難以發(fā)揮其長(zhǎng)處；3）不確定性因素多，如礦石的性質(zhì)改變，加熱煤氣成分的波動(dòng)以及操作工水平參差不齊等，這些不確定因素均會(huì)影響關(guān)鍵工藝參數(shù)的穩(wěn)定性；4) 焙燒過(guò)程中往往伴隨著一些故障的發(fā)生，一旦操作不當(dāng)，將會(huì)引發(fā)生產(chǎn)故障，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
以上說(shuō)明了手工操作的局限性，同時(shí)說(shuō)明了單一的常規(guī)控制理論與技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒復(fù)雜的控制，難以達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程的最終需求，如用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的期望等，究其原因是因?yàn)榛A(chǔ)回路控制級(jí)難以找到合適的設(shè)定值。如燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度等，往往是由操作員借助于其積累的經(jīng)驗(yàn)給出，帶有主觀性和隨意性，使產(chǎn)品質(zhì)量及其它工藝指標(biāo)得不到有效可靠的保證。如果不對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的改造，所帶來(lái)的問(wèn)題是：控制精度不高，浪費(fèi)能源，最終的產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保障。近年來(lái)，隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，各企業(yè)越來(lái)越重視工藝過(guò)程的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，這樣不僅能提高控制精度，而且節(jié)約了能源，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅提高。
3 豎爐焙燒過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
結(jié)合選礦廠豎爐焙燒過(guò)程的特點(diǎn)，采用智能優(yōu)化、過(guò)程控制和過(guò)程管理三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)，提出了如圖2所示豎爐焙燒過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)有豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)、豎爐過(guò)程控制系統(tǒng)、豎爐過(guò)程管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)組成。其中，智能優(yōu)化系統(tǒng)采用以綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)的智能優(yōu)化設(shè)定技術(shù)，具有燃燒室溫度智能優(yōu)化設(shè)定模塊、還原煤氣智能優(yōu)化設(shè)定模塊和搬出制度智能優(yōu)化設(shè)定模塊。
過(guò)程控制系統(tǒng)采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)。其中基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)具有回路控制模塊、邏輯控制模塊和關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控模塊。
過(guò)程管理系統(tǒng)采用綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運(yùn)行與優(yōu)化管理技術(shù)，具有生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理兩部分。
計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)有監(jiān)控軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制系統(tǒng)和過(guò)程管理系統(tǒng)的信息集成，從而實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒過(guò)程的綜合自動(dòng)化。
3.2 系統(tǒng)功能
豎爐焙燒生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括：智能優(yōu)化系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)和過(guò)程管理系統(tǒng)(系統(tǒng)功能圖參見(jiàn)圖3)。豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)要求，根據(jù)選礦廠制定的指標(biāo)：磁選管回收率，由回路智能優(yōu)化設(shè)定模型對(duì)豎爐焙燒過(guò)程的燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度等控制回路的給定值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)焙燒過(guò)程的磁選管回收率優(yōu)化控制，從而保證選礦過(guò)程綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化。
豎爐過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒過(guò)程生產(chǎn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止等邏輯控制，如抽煙機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、搬出機(jī)和排礦機(jī)等，具有設(shè)備安全保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝參數(shù)，如豎爐溫度（燃燒室、加熱帶、還原帶等）、壓力（加熱煤氣壓力、還原煤氣壓力、爐膛負(fù)壓等）、流量（煤氣、空氣等）的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵工藝參數(shù)和趨勢(shì)曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行。
豎爐過(guò)程管理包括生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理，對(duì)豎爐焙燒生產(chǎn)過(guò)程和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行管理。生產(chǎn)管理具有系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障診斷、設(shè)備管理、生產(chǎn)安全管理和系統(tǒng)通訊等功能。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理以及生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控；故障診斷功能對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障。設(shè)備管理功能對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，對(duì)設(shè)備的維護(hù)進(jìn)行管理，對(duì)設(shè)備維修計(jì)劃進(jìn)行預(yù)測(cè)，幫助制定維修計(jì)劃，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。生產(chǎn)安全管理功能包括設(shè)備間的連鎖保護(hù)，關(guān)鍵操作執(zhí)行前確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備起停前打鈴，以保證生產(chǎn)安全。系統(tǒng)通訊功能實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制子系統(tǒng)和各級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。操作指導(dǎo)功能是系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和人工輸入、設(shè)定信息判斷當(dāng)前的生產(chǎn)狀況和操作條件，由基于案例推理的專家系統(tǒng)給出操作指導(dǎo)。系統(tǒng)管理具有系統(tǒng)安全管理、用戶管理和系統(tǒng)導(dǎo)航等功能。系統(tǒng)安全管理保證系統(tǒng)不被惡意破壞和記錄所發(fā)生過(guò)的事件和所進(jìn)行的操作，系統(tǒng)的進(jìn)入需要用戶和密碼，同時(shí)對(duì)運(yùn)行中的活動(dòng)和報(bào)警進(jìn)行記錄。用戶管理用來(lái)增加和刪除用戶，對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行設(shè)定和用戶密碼進(jìn)行修改。系統(tǒng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)航功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面之間的切換和各個(gè)子系統(tǒng)間的切換。
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